Partie A : Schémas de circulation planétaire

Voir l’atmosphère à travers les nuages

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Visualisation du modèle terrestre montrant les nuages à partir d’une simulation utilisant le modèle Goddard Earth Observing System (GEOS), version 5.
Source : NASA

La plupart du temps, l’atmosphère est transparente et difficile à voir à l’œil nu. Occasionnellement cependant, les nuages, la poussière, le brouillard ou la fumée, nous permettent de voir le mouvement de l’air autour de nous. Commencez ce laboratoire en regardant l’animation vidéo intitulée  » GEOS 5 modélisé les nuages  » dont le lien est indiqué ci-dessous. En regardant ce court clip vidéo, réfléchissez aux questions suivantes sur les nuages et sur la façon dont ils nous aident à mieux voir et comprendre l’atmosphère. (Remarque : il se peut que vous deviez regarder la vidéo plusieurs fois pour en voir tous les détails.)

• Où sont les nuages ?
• Pourquoi se déplacent-ils ?
• Y a-t-il des zones sans nuages ?
• Y a-t-il des zones de nuages extrêmes ?
• Les nuages se déplacent-ils d’est en ouest, du nord au sud ?
• Quels autres modèles de mouvement observez-vous ?
• Comment les nuages nous permettent-ils de voir le vent ?

Vidéo fournie gracieusement par la NASA/Goddard Space Flight Center.

Échelles du temps et du climat

L’atmosphère est un système interconnecté. Pour faciliter l’étude, les scientifiques subdivisent la circulation atmosphérique et les régimes météorologiques en catégories en fonction de leur taille et de leur durée. En général, les petits événements météorologiques à l’échelle locale ont la durée de vie la plus courte, tandis que les modèles à l’échelle mondiale peuvent persister pendant des semaines ou des mois. Dans cette étude, vous commencerez par explorer les schémas à la plus grande échelle, l’échelle planétaire ou mondiale, et vous travaillerez jusqu’aux schémas à la plus petite échelleceux qui se produisent dans votre propre quartier, votre cour d’école ou votre parc.

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Source du tableau des échelles de temps : Études météorologiques : Introduction à la science atmosphérique, par Joseph Moran.

1. Téléchargez et imprimez la carte et le tableau d’organisation liés ci-dessous. Pendant votre lecture, utilisez la carte et le tableau, dont un échantillon est illustré à droite, pour enregistrer vos notes sur les échelles de temps et d’espace de la météo et du climat tout au long du laboratoire 3. Version imprimable des échelles de temps et de climat (Acrobat (PDF) 51kB avr4 12) dans (PDF).
2. Accéder, et imprimer une carte World : Climats de la collection de cartes du monde de Education Place (lien non disponible).
3. Utiliser des crayons de couleur pour noter l’emplacement des moteurs mondiaux et continentaux du climat sur la carte Monde : Climats.

Introduction à Moving Heat Interactive

Comme vous l’avez appris dans le laboratoire 2, une grande partie du rayonnement solaire entrant n’est pas directement absorbée par l’atmosphère elle-même mais par les surfaces de la Terre, y compris les terres et l’océan. L’atmosphère est donc en grande partie chauffée indirectement par le rayonnement à ondes longues émis par la surface de la Terre. L’atmosphère agit comme un fluide gazeux dans lequel se forment des cellules de convection. Ces cellules transfèrent l’énergie thermique et l’humidité d’un endroit à l’autre. Dans ce laboratoire, vous examinerez les modèles mondiaux de circulation dans l’océan et l’atmosphère. L’océan et l’atmosphère combinent leurs forces pour déplacer à la fois la matière et l’énergie autour du globe.

Débutez cette section du laboratoire en explorant les caractéristiques de l’interactif Chaleur en mouvement, ci-dessous. Dans cet interactif, vous examinerez des animations, des graphiques et de courtes vidéos construites à partir de données satellitaires de la NASA. Pendant vos recherches, vous chercherez comment l’océan et l’atmosphère se combinent pour déplacer l’humidité et l’énergie thermique autour du globe. Prenez quelques minutes pour explorer les boutons et les couches de cet outil d’apprentissage interactif. Lorsque vous avez terminé votre exploration, cliquez sur le bouton Flux d’air pour revenir à l’écran d’ouverture.

*Cette vidéo remplace un interactif Flash

Les directeurs de la météo et du climat mondiaux

Dans cette section, on vous présentera chacun des principaux directeurs du climat et de la météo mondiaux. Prenez des notes sur chaque  » directeur  » dans votre cahier, ou sur le tableau d’organisation fourni au début du laboratoire.

Les cellules de circulation atmosphérique globale

Le réchauffement inégal de la surface de la Terre par le soleil entraîne le mouvement de l’atmosphère, que nous ressentons comme du vent. Autour de la Terre, il existe trois grandes cellules de convection connues sous les noms de : Hadley, Ferrel, et les cellules de circulation polaire. Au niveau mondial, elles contribuent à égaliser le rayonnement solaire entrant reçu sur Terre en transportant l’excès d’énergie thermique (chaleur) des régions équatoriales vers les pôles.

Allumez et visualisez les cellules de circulation (cliquez sur le bouton show sous Circulation Cells), notez comment ces cellules travaillent de concert pour déplacer l’air et la chaleur de l’équateur vers les régions polaires. L’origine de l’énergie utilisée pour entraîner ces courants d’air est le rayonnement solaire entrant. Le processus peut être décomposé en plusieurs étapes, en commençant par l’équateur.

• D’abord, le rayonnement solaire réchauffe la surface de la Terre qui réchauffe ensuite l’atmosphère.
• La parcelle d’air chauffée, une section imaginaire d’air devient moins dense et commence à s’élever.
• Les airs chauffés par le soleil se déplacent vers le haut, loin de la surface de la Terre, initiant une cellule de convection. Vous avez peut-être vu des oiseaux (ou des parapentes) utiliser des versions à l’échelle locale de ces types de « thermiques » pour s’élever sans effort dans le ciel avec peu ou pas de mouvement apparent des ailes.
• La parcelle d’air se refroidit en s’élevant, libérant la chaleur latente (stockée) et l’humidité, formant des nuages.
• Lorsque la parcelle d’air atteint le bord de la troposphère, à environ 10 kilomètres au-dessus de la Terre, elle tourne et commence à s’étendre vers les pôles.
• A environ 30˚ de latitude, l’air commence à descendre, ou à s’affaisser. Cet affaissement se produit parce que l’air est devenu plus froid et plus dense. La parcelle d’air qui s’enfonce est plus sèche car elle a libéré son humidité en s’élevant près de l’équateur.
• Lorsque le cycle de convection de l’air revient vers la terre, il se réchauffe et s’assèche en raison de la compression, formant des zones de haute pression. Chaque cycle se termine lorsque l’air revient au point de départ et s’élève à nouveau.

Vents et pression

Utilisez l’interactif Chaleur en mouvement pour explorer la relation entre les vents et la pression. Notez vos observations dans votre cahier ou sur le graphique et la carte fournis dans le lien ci-dessus.

1. Cliquez sur le bouton pour afficher les vents & pression avec les cellules de circulation activées. Notez où se trouvent les systèmes de haute (H) et basse (L) pression par rapport aux cellules de circulation. Là où l’air monte, la pression atmosphérique est basse ; là où il descend, elle est élevée. Remarque : la pression au-dessus de l’équateur est également basse.
2. Cachez les cellules de circulation et les systèmes de pression. Ensuite, cliquez sur le bouton Vents uniquement pour observer l’écoulement des principaux vents mondiaux : les alizés alizés : ces vents soufflent d’est en ouest autour du globe. Ce sont des vents de surface, qui circulent dans la partie inférieure de l’atmosphère. Ils sont situés dans les latitudes les plus proches de l’équateur. Les alizés orientent les trajectoires des tempêtes tropicales et déplacent les grandes tempêtes de poussière de l’Afrique aux Caraïbes. Leur emplacement, leur direction et leur persistance ont permis l’établissement de routes commerciales à travers les océans Atlantique et Pacifique. et les vents d’ouestLes vents d’ouest sont nommés en raison de leur direction d’écoulement, d’ouest en est. Ce sont des vents de surface, qui circulent dans la partie inférieure de l’atmosphère. Ils sont situés entre 30 et 60 degrés de latitude nord et sud. Ils orientent les tempêtes à travers l’Amérique du Nord. . Les alizés sont les vents les plus persistants de la planète. Ils soufflent dans la même direction plus de 80 % du temps ! Les vents d’ouest sont importants pour le temps et le climat des États-Unis contigus.
3. Changez la vue de la Terre entre la température de surface de la mer (SST) et la bille bleue pour étudier la relation entre la formation des nuages et la SST. Notez l’alignement des nuages et des vents autour de l’équateur. Les nuages se sont formés à partir de l’humidité qui s’est évaporée de l’océan. Prenez le temps de revoir l’animation GEOS, présentée au début de la page, pour confirmer cette relation. Ensuite, notez vos observations et répondez aux questions de vérification ci-dessous.

Cycles hydriques mondiaux de l’évaporation et des précipitations

1. Cliquez sur le bouton Lire les animations pour voir quatre animations d’images satellites de la NASA. Lisez le texte au-dessus de chaque animation pour obtenir une description des données qui sont affichées. (Remarque : le contrôleur vidéo se trouve sous l’image.) Au fur et à mesure de la lecture du film, la période de temps s’affiche en jours afin que vous puissiez avoir une idée de la vitesse de déplacement des courants atmosphériques et océaniques. Notez les schémas spatiaux (dans l’espace) et temporels (dans le temps) du mouvement. Dans quel sens les courants d’air et d’eau se déplacent-ils ? Comme vous l’avez appris dans le laboratoire 2A, le laboratoire du cycle de l’eau, sur Terre, l’eau s’évapore généralement de l’océan, se déplace avec les courants d’air et pleut ou neige sur la terre.
2. Utilisez les boutons Superposer et Comparer pour rechercher des relations entre les ensembles de données. Lisez le texte au-dessus des animations qui décrit ce qui se joue dans l’animation. Vous devrez peut-être lire ces vidéos plusieurs fois pour voir tous les détails.

Comme vous l’avez vu dans plusieurs exemples, les vents et les courants océaniques déplacent plus que de la chaleur, ils transportent également des quantités substantielles d’humidité autour du globe. Étudiez l’image à gauche. (Cliquez sur l’image pour l’agrandir, dans une nouvelle fenêtre.)

3. Cherchez la relation entre les schémas de circulation de l’air et les régions sèches et humides. Remarquez la bande symétrique des régions humides et sèches autour de la Terre. Tout en regardant l’image, répondez aux questions de vérification ci-dessous.

Jet Streams

Les Jet Streams sont des zones de rivières d’air en mouvement rapide qui tournent autour de la Terre. Ils peuvent atteindre des vitesses de plus de 160 km par heure (100 mph). Ils sont situés aux limites des cellules Hadley, Ferrel et polaires, décrites ci-dessus. Ils influencent le mouvement des masses d’air plus importantes qui se trouvent au-dessus des continents et des océans. Les courants-jets se trouvent de 6 à 15 kilomètres au-dessus de la surface de la Terre, à la limite entre la troposphère et la stratosphère. Ils suivent les méandres des frontières entre les masses d’air polaires et celles des latitudes moyennes. Le courant-jet polaire, qui circule au-dessus de l’Amérique du Nord, est généralement plus fort aux États-Unis pendant les mois d’hiver. Il dirige des phénomènes météorologiques hivernaux notoires tels que l' »Alberta Clipper » et le « Polar Vortex » sur les Grands Lacs et la Nouvelle-Angleterre. En règle générale, lorsque le courant-jet polaire est situé au sud de votre emplacement, le temps est relativement froid.
Cliquez sur ce lien pour afficher une carte des courants-jets du jour sur l’emplacement du Globe. Sur le globe, recherchez la région où le flux d’air est le plus rapide, colorée en rouge. Vous trouverez des informations sur ces données en cliquant sur le mot « terre » sous le graphique. Observez le globe pour voir comment les Jet Streams serpentent dans le temps. Notez vos observations sur l’emplacement général des Jet Streams sur votre carte du monde imprimée.

Modèles de circulation océaniquehermohaline

Les modèles de vent et les tempêtes se combinent pour déplacer la majorité de la chaleur autour de la Terre. Selon les scientifiques du National Center for Atmospheric Research (NCAR), 78 % du transport de chaleur vers les pôles dans l’hémisphère nord, et 92 % dans l’hémisphère sud, sont dus aux processus atmosphériques. Pour vous faire une idée de ce phénomène, considérez, par exemple, la quantité d’énergie solaire nécessaire pour faire fonctionner le cycle de l’eau dans le laboratoire 2A. Lorsque l’eau passait de l’état liquide à l’état gazeux, l’énergie était absorbée, formant un « nuage » de vapeur d’eau. Dans l’atmosphère, les nuages sont des transporteurs d’humidité et d’énergie thermique.

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Schéma de la circulation thermohaline. Source: NOAA

Les courants océaniques transportent le reste de la chaleur. Ces courants comprennent à la fois les courants de surface, ou courants dus au vent, et les courants thermohalins (thermo=chaleur ; haline=sel) ou courants de densité. Un schéma simple de ces courants est illustré à gauche. On estime que l’eau de ces courants peut prendre mille ans ou plus pour faire le tour du globe ! Regardez la courte vidéo ci-dessous, réalisée par la National Science Foundation (NSF), pour en savoir plus sur cet important transporteur mondial de chaleur. Pendant le visionnage, observez comment la chaleur est distribuée dans le monde par les courants océaniques.
Après avoir regardé la vidéo liée ci-dessous, répondez aux questions de vérification, ci-dessous. (Remarque : cliquez sur la flèche, sous l’écran de l’image, pour démarrer la vidéo.) Le bilan thermique de la Terre fait partie d’une série de vidéos sur Science 360.

Les modèles mondiaux de précipitations et de températures se combinent à d’autres influences régionales et locales, comme la géographie, pour déterminer le climat d’une région et, en fin de compte, les modèles de végétation. Dans le laboratoire 4 : schémas climatiques et vie, vous examinerez de plus près l’influence du climat sur la répartition spatiale de la vie végétale et animale.

Extensions facultatives

L’application MeteoEarth pour iPad et tablettes Android, est une façon amusante d’explorer les relations entre les facteurs météorologiques, tels que les systèmes de pression et les schémas de vent.
Curieux des schémas météorologiques récents ou historiques ? Consultez cet étonnant site web Climate Reanalyzer pour voir une variété de cartes fascinantes à des échelles allant du global au régional.

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